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采用模塊化的逆變電源并聯運行構成大容量的備用電源系統具有一系列優點:首先從使用者的角度來看,第一是擴容方便,因而在系統設計選型時可以比較隨意;第二是維護簡便,當某個模塊發生故障時只需用新模塊將其替換下來即可,而不影響系統的輸出,因而在使用過程中可以節約人力物力。其次從生產者的角度來看,標準化的模塊便于生產的規�；�,從而更容易降低產品的設計、生產和調試成本,提高競爭力。 1 逆變器并聯運行控制的方法 逆變器是直流輸入、交流輸出的電能變換器。多個逆變器并聯運行時必須保證各逆變器的交流輸出電壓保持嚴格的同頻率、同相位和等幅值,否則就會在不同逆變器之間產生環流,從而降低系統的輸出容量,甚至燒毀逆變器。然而,絕對的同頻、同相和等幅值是無法實現的,因而有必要對環流進行分析,從而找出抑制環流,確保系統運行穩定、安全的控制措施。理論分析表明:并聯系統中各單元的輸出電壓的相位差主要造成有功功率的差異,使得在各并聯單元之間形成有功環流;而輸出電壓的幅值差則主要導致無功功率的差異,使各并聯單元之間形成無功環流;而且如果兩個逆變器之間的相位差很小的話,可以近似認為有功功率差與相位差成正比,無功功率差與幅值差成正比。 由此出發,目前有兩種均流控制方法:一種是以各模塊的平均無功功率作為每個模塊無功功率的給定值,求出偏差并以此為據調整模塊輸出的幅值;以各模塊的平均有功功率作為每個模塊有功功率的給定值,求出偏差并以此為據調整模塊輸出的相位角。另一種均流控制方法是:采用“基于搶占與并發的同步控制方式” 控制各并聯單元的輸出相位(這種方法可以達到很高的同步精度,使得系統中的有功環流可以忽略不計) ,然后直接依據各單元的輸出電流與系統平均輸出電流的偏差調節各單元的輸出電壓幅值,以實現各模塊輸出的均流和負載的均衡分配。 顯然,無論采用哪一種方法進行均流控制,都必須保證在各并聯單元之間有穩定、可靠的數據通訊。在這方面,現場總線CAN 無疑是非常適合的。 2 CAN總線的特點介紹 控制器局域網CAN (Cont roller Area Network)最初是為汽車的監測、控制系統而開發的一種串行通信協議。由于它具有良好的功能特性、很強的抗干擾能力和極高的可靠性,所以在各種監測、控制系統中獲得了廣泛的應用。 2. 1 CAN總線的特點 具體來講,CAN具有如下特點: ①結構簡單,只需兩根信號線,介質可以采用雙絞線、同軸電纜或光導纖維。 ②通信方式靈活,以多主方式工作,網絡上的任意一個節點均可以在任意時刻主動地向網絡上的其他節點發送信息。 ③網絡上的節點信息可以分成不同的優先級,從而滿足不同的實時性要求。 ④采用短幀格式通信,每幀最多8個字節數據,不會占用總線很長時間,從而保證了通信的實時性,同時也可以滿足通常的工業控制領域中的數據通訊要求。 ⑤采用無破壞性的基于優先權的總線仲裁技術,當兩個節點同時向總線上發送數據時,優先級低的節點主動停止數據發送,而優先級高的節點可以不受影響地繼續發送數據。 ⑥通信距離可達10 km(速率5 kb/s以下) ,通訊速率可達1 Mb/s(距離40m以下) 。 ⑦采用CRC校驗,并且提供了相應的錯誤處理機制,從而保證了數據通信的可靠性。 2. 2 CAN協議的數據幀格式 一個有效的CAN數據幀由幀起始、仲裁域、控制域、數據域、校驗域、應答域和幀結束組成。在CAN2.0B中存在兩種不同的幀格式,它們的區別在于標識符的長度不同:標準幀的標識符有11位,擴展幀的標識符有29位。標準幀的結構為圖1 所示。 圖1 標準幀的結構 擴展幀的結構為圖2 所示。CAN 協議的一個最大特點是廢除了傳統的站地址編碼,而代之以對通信數據塊進行編碼。采用這種方法的優點是可以使網絡內的節點數在實際應用中幾乎不用考慮;數據塊的標識符可以由11位或29位二進制數組成,因此可以定義211或229個不同的數據塊。這種按數據塊編碼的方式,還可以使不同的節點接收到相同的數據,這一點在分布式控制系統中非常有用。 圖2 擴展幀的結構 總之,CAN總線由于其卓越的特性、極高的可靠性和獨特的設計,特別適合工業工程監控設備的互連,因此,越來越受到工業界的重視,并已成為公認的最有前途的現場總線之一。 3 基于DSP 的逆變器并聯運行控制器中的CAN通信應用 我們以TI 公司的數字信號處理器DSP TMS320LF2407A 為核心設計制作了逆變器并聯運行控制器,采用了“基于搶占與并發的同步控制方式”,利用CAN總線在各逆變器之間進行數據通信,傳遞各模塊的模塊號和輸出電流有效值,然后各模塊計算出單個模塊的理想輸出電流值,再根據自己的實際輸出值與理想值之間的誤差來調節模塊輸出電壓的大小,從而實現均流控制。我們稱這種方法為“直接電流均流法”。 3. 1 DSP TMS320LF2407A 的CAN模塊簡介 TMS320LF2407A 是德州儀器公司TI 的一種16 位定點數字信號處理器。它在芯片里集成了幾種先進的外設,包括事件管理器、模數轉換器、串行外設接口、串行通信接口和CAN 控制器等,成為真正的單芯片控制器。 該DSP 中內嵌的CAN 控制器模塊是一個完整的、完全支持CAN2.0B協議的CAN控制器。它集成了CAN協議的物理層和數據鏈路層功能,可以完成對通信數據的成幀處理,包括位填充、數據塊編碼、循環冗余檢驗、優先級判別等工作。它具有6個郵箱,每個郵箱的數據長度為0～8個字節。這6個郵箱中2個為接收郵箱,2個為發送郵箱,還有2個可以配置為接收或者發送郵箱;每個接收郵箱都設有局部接收屏蔽寄存器用以控制對總線上的數據進行有選擇的接收;有可編程的位定時器,用以確定數據的傳輸速率;有可編程的CAN總線喚醒功能;具有自動回復遠程請求的功能;當發送出現錯誤或仲裁中丟失數據的時候,CAN控制器模塊具有自動重發的功能;此外,它還有總線錯誤診斷功能;有可以編程配置的中斷系統。它的應用也非常簡單,只要在初始化時按照設計好的工作方式和工作參數設置相應的控制寄存器,然后在程序中需要發送數據地方把數據寫到某個發送郵箱,再把發送控制位置位,即可完成數據輸出;數據輸入可以采用中斷方式實現。 3. 2 系統的硬件結構 系統的硬件結構如圖3所示。圖3中只畫出了一個單元的結構, 不同單元之間通過同步母線、CAN 總線和交流輸出母線連接起來。 圖3 系統硬件結構圖 在每個單元中,逆變器輸出電流的檢測信號經過線性光隔進行光電隔離后進入DSP,在數據采集中斷服務程序控制下,經內部的10位A/D轉換器轉換成數字量,用于計算電流有效值;DSP按照控制算法輸出具有一定相位和幅值的正弦波數字量,經過D/A 轉換,變換成模擬信號送給逆變器作為SPWM調制的基準信號。DSP的CAN模塊通過外接的驅動器連到總線上,與其它單元通訊。 3. 3 軟件結構 本系統的軟件結構如圖4 所示。主程序在完成初始化后就打開中斷。在同步中斷服務程序中進行同步處理,在數據采集中斷服務程序中進行數據采集和正弦波給定輸出(同步以后) 。當一個周期結束以后,就計算出此周期的電流有效值,并通過CAN總線發送給其它模塊。不同單元的數據通過模塊號予以區別。然后再按照控制策略進行數據通信和均流控制,進入下一個周期。數據采集利用定時器中斷進行定時,在每個交流電周期的256個固定點上對輸出電流進行采樣,供主程序中計算有效值使用;然后根據同步是否正常確定是否輸出正弦波給定。在CAN 中斷接收服務程序中,把接收到的數據按照不同單元的模塊號存放到一張模塊數據表中的相應位置,供主程序計算時使用。 圖4 系統軟件流程圖 4 結 論 我們采用“基于搶占與并發的同步控制方式”和“直接電流均流法”的控制策略,利用DSP 內嵌的CAN 控制器模塊實現不同逆變器之間的數據通信,開發制作了DSP控制器,并分別進行了2臺和3臺單相3kVA 逆變器的并聯實驗。實驗證明:不論是在純阻性負載或者是帶有電抗性的負載,或者是整流性負載的情況下,都可以有效地抑制環流,較好地實現了負載的均分。實驗結果表明:這種方法是有效和可靠的。 |
